首次制造出可以看見的時(shí)間晶體

時(shí)間晶體是一種特殊的物質(zhì)形態(tài)，它會(huì)隨著時(shí)間展現(xiàn)出連續(xù)、重復(fù)的模式，就像普通晶體中的原子在空間中重復(fù)排列一樣。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然·材料》的研究中，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)使用常見的液晶材料，制造了一種新的時(shí)間晶體。雖然這并非科學(xué)家首次制造出時(shí)間晶體，但這是人類第一次能夠真正看見的時(shí)間晶體，為未來(lái)的技術(shù)應(yīng)用打開了大門。

從空間晶體到時(shí)間晶體

2012年，諾貝爾獎(jiǎng)得主維爾切克（Frank Wilczek）首次提出時(shí)間晶體的設(shè)想。傳統(tǒng)晶體可以看作“空間晶體”，比如金剛石中的碳原子，會(huì)在空間中形成堅(jiān)固的晶格結(jié)構(gòu)。維爾切克則設(shè)想，是否可能在時(shí)間維度形成類似的有序結(jié)構(gòu)？

時(shí)間晶體的重復(fù)有點(diǎn)像地球的四季，一年一次，像時(shí)鐘一樣精準(zhǔn)。

維爾切克設(shè)想的版本幾乎類似于“永動(dòng)機(jī)”：即便原子處于自然靜止?fàn)顟B(tài)下，它們?nèi)阅懿粩噙\(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)變，像一段永不停止循環(huán)播放的動(dòng)畫。但不久之后，科學(xué)家通過(guò)數(shù)學(xué)證明這一設(shè)想是不可實(shí)現(xiàn)的。不過(guò)，科學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，其他形式的時(shí)間晶體是可能存在的。比如，在一些始終處于動(dòng)態(tài)而非靜止的奇特系統(tǒng)中，就能出現(xiàn)有序的時(shí)間晶體。

此后，科學(xué)家們用多種方式制造過(guò)時(shí)間晶體，比如利用金剛石中的納米缺陷、俘陷離子系統(tǒng)。2021年，甚至有物理學(xué)家利用谷歌的Sycamore量子計(jì)算機(jī)，通過(guò)激光操縱原子網(wǎng)絡(luò)讓它們產(chǎn)生周期性重復(fù)的波動(dòng)，創(chuàng)造出了非常接近時(shí)間晶體的物質(zhì)相。

然而，這些現(xiàn)象只存在于復(fù)雜的量子物質(zhì)系統(tǒng)中，局限于微觀尺度。

光照下誕生的“晶體”

在新的研究中，研究人員找到了可以制造出能直接在顯微鏡下，甚至在某些特殊條件下“肉眼可見”的時(shí)間晶體的方法：他們嘗試用液晶來(lái)實(shí)現(xiàn)類似的奇跡。液晶由細(xì)長(zhǎng)的棒狀分子組成，它們既像固體，又像液體。由于液晶分子之間的作用力，會(huì)使這些棒狀分子通常保持同一方向。

在實(shí)驗(yàn)中，他們將一層液晶膜夾在兩塊涂有光敏染料分子的玻璃板之間。起初，液晶樣品幾乎保持靜止。但當(dāng)用光在特定條件下照射玻璃板上的光敏染料分子時(shí)，這些染料分子的取向會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而擠壓液晶分子。

計(jì)算機(jī)模擬展示了時(shí)間晶體的內(nèi)部機(jī)制：一束光（藍(lán)色箭頭）使染料分子（紅色棒狀）改變?nèi)∠颍瑥亩?qū)動(dòng)下方液晶的運(yùn)動(dòng)。（圖/Smalyukh Lab）

一旦有些液晶分子發(fā)生“扭曲”，就會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，瞬間產(chǎn)生了成千上萬(wàn)個(gè)新的“扭折”（扭曲結(jié)構(gòu)）。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些扭折隨后進(jìn)入復(fù)雜的相互作用過(guò)程，它們會(huì)開始旋轉(zhuǎn)、流動(dòng)和重新排列，并呈現(xiàn)出隨時(shí)間周期性重復(fù)的運(yùn)動(dòng)模式。

時(shí)空晶體的“舞蹈”

這些扭折無(wú)法被輕易移除，它們可以移動(dòng)，甚至在某些條件下會(huì)像粒子一樣發(fā)生相互作用，并產(chǎn)生可見的波紋。為了進(jìn)一步觀察，研究人員使用只透射偏振光的顯微鏡對(duì)這些分子進(jìn)行了觀測(cè)。他們發(fā)現(xiàn)，這些液晶分子的排列方向決定了光的通過(guò)量，從而將這些波紋呈現(xiàn)為明暗相間的條紋。

時(shí)間晶體運(yùn)動(dòng)過(guò)程視頻。（圖/Smalyukh Lab）

而且更令人驚訝的是，即便改變液晶的溫度或光的強(qiáng)度，它依然能維持其獨(dú)特的節(jié)奏數(shù)小時(shí)——就像一只永不停歇的時(shí)鐘。而通過(guò)調(diào)節(jié)裝置，實(shí)驗(yàn)還可以生成厘米級(jí)的圖樣，因此盡管分辨率和對(duì)比度低于顯微鏡成像，但這種效應(yīng)即便用肉眼也能直接觀測(cè)到。

研究人員指出，由于其圖樣在空間和時(shí)間上同時(shí)變化，因此從嚴(yán)格意義上說(shuō)，它應(yīng)被稱為“時(shí)空晶體”。不過(guò)，它無(wú)疑符合時(shí)間晶體的定義，同時(shí)也引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題：是否還有其他周期性現(xiàn)象也能納入這一范疇？

應(yīng)用前景

研究人員強(qiáng)調(diào)，這類時(shí)間晶體并不僅僅是科學(xué)上的好奇，還具有多種潛在用途。比如，這種晶體層可以被嵌入鈔票作為防偽元素——只需用光照射，就能顯現(xiàn)獨(dú)特的“時(shí)間水印”，從而驗(yàn)證鈔票真?zhèn)?。通過(guò)堆疊不同圖樣的時(shí)間晶體，還能生成更復(fù)雜的圖案，比如動(dòng)態(tài)二維碼，未來(lái)或許可用于大容量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)。

不過(guò)，研究人員表示，他們不想過(guò)早地為它的用途設(shè)限，并認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)有機(jī)會(huì)在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。

#參考來(lái)源：

https://www.colorado.edu/today/2025/09/05/physicists-have-created-new-time-crystal-it-wont-power-time-machine-could-have-many

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02344-1

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02939-3

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Zhao & Smalyukh, 2025, Nature Materials